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新世代USB-C Dock影音轉換的架構與挑戰
2022 Apr

撰稿:張惠能 / 威鋒電子產品管理處副處長
 
USB介面 (Universal Serial Bus) 正如其英文首字Universal,已被大量應用於個人電腦、平板、智慧型手機、伺服器、物聯網、車用電子及隨身電子產品等各項領域。其傳輸速度由USB 3.2 Gen 2x2的20Gbps演進至最新的USB4 40Gbps,同時能支援最高達到240W的USB PD 3.1電力傳輸,單一採用可雙面插拔的USB Type-C介面。而在USB-C PD規範當中,同時可經由進入Alternate Mode (Alt-mode,替代模式),重新定義USB-C連接器的腳位,將來自整合晶片組或獨立繪圖晶片的影音訊號,由USB-C介面輸出,由此達到資料、電力與多媒體影音同時在USB Type-C單一介面進行傳輸,大大增進了使用者體驗。
 
影音傳輸的兩大規格DisplayPort (DP) 和HDMI,皆根據USB PD規範各自推出USB-C DP Alt-mode與USB-C HDMI Alt-mode;然而,市面上幾乎看不到USB-C HDMI Alt-mode的產品。除此之外,最新的USB4規範,透過Tunneling Mode,以及Intel的Thunderbolt技術,都僅支援DP影音格式輸出。因此,真正對USB-C介面實用的影音傳輸規格,可以說只有DisplayPort。但是,市面上最普遍常見的影音介面卻是HDMI,因此USB-C介面輸出的DP影音訊號,無論在設計USB-C Dongle或Docking Station類別的周邊產品應用,或任天堂Switch遊戲機的底座裡,都會再使用一顆DP-to-HDMI影音轉換器用以轉出HDMI格式。而在新一代的USB-C Dock (尤其是支援USB4的產品),已經導入DP轉換成HDMI 2.1的規格。本篇文章主要將探討,新世代USB-C Dock應用,影音轉換的架構與挑戰。
 
USB-C Dock影音轉換的架構與趨勢
 
在USB-C Dock裡,基本的架構如圖一所示,需要一顆USB-C PD控制器、一顆USB Hub控制器與一顆DP轉HDMI影音轉換控制器。最基本的USB-C PD控制器,只需要一個上行口連接筆電或手機的主控端 (Host),進行USB Type-C介面的連接偵測與USB-C PD協議的溝通,其中也包含處理進入USB4 Tunneling Mode或DP Alt-mode轉出影音訊號。而在更進階的Dock產品應用,USB-C PD控制器還會整合一至兩個下行口,可連接USB-C充電器;在使用Dock的功能同時,也同步對筆電或手機進行快速充電,此時,USB-C PD控制器需要進行電力傳輸的握手協議。另外,USB-C下行口也可以用來連接USB-C的裝置,例如:隨身碟、外接硬碟或讀卡機…等,此時的USB-C PD控制器僅需要進行USB-C裝置的連接偵測。
 
USB Hub控制器,主要用來擴充自USB-C上行口來的USB功能,以連接多個USB周邊裝置,實現USB-C Dock集線擴充的功能。USB Hub的選擇,依據產品的最高速度要求與欲擴充的USB周邊裝置數目而定。以一個USB4的USB-C Dongle為例,其Hub要支援最高速的USB4規範,也需要向下相容於USB 3.2 / USB 2.0規範;當擴充的USB周邊裝置數目較多時,可能需要用到兩顆USB Hub進行串接。
 
 
外接HDMI顯示器或電視時,上行口透過USB4 DP Tunneling或DP Alt-mode轉出的DP影音訊號,需要一顆DP轉HDMI的影音轉換控制器來達成。這種DP影音轉換控制器可分為SST (Single Stream Transport) 與MST (Multi-Stream Transport) 兩大類。支援DP SST這種單重串流傳輸的影音轉換控制器,自DP來源裝置的封包,只能夠驅動一個獨立顯示器,主流採用轉出HDMI格式;當支援DP MST多重串流傳輸時,從DP來源裝置的封包,可以分割成多個視訊輸出,以驅動多個獨立顯示器,這些輸出可以是DP格式,或HDMI、VGA格式,我們也稱這種支援DP MST的影音轉換控制器為DP Hub。
 
隨著USB-C Dock相關產品多樣化、規格多元化,DP影音轉換控制器廠商也開始推出高度整合的產品,例如,將USB PD功能整合至DP影音轉換控制器,甚至一併整合USB Hub。其優點在於,晶片高度整合可兼顧成本效益,且產品可做到尺寸精巧,然缺點就是缺少彈性與擴充性,無法針對產品規格的變化,挑選最適合的晶片組合,容易發生高規低用的狀況。因此,整合型的影音轉換控制器該如何拿捏其整合度,是一門大學問。
 
USB-IF協會於2019年八月公布USB4規範之後,2020年第四季,首見原生支援USB4的Intel 11代Core處理器Tiger Lake和Rocket Lake平台上市;Apple緊追在後,於2020年十一月發表支援USB4的M1處理器平台;AMD則於2022年1月的CES發表了支援USB4的Zen3 + 架構Ryzen 6000。至此,市場上所有主流處理器,皆已全面支援USB4,正式進入傳輸規格新時代。當使用USB4透過DP Tunneling傳送DP影音資料時,USB Type-C的雙通道皆可同時用以傳遞DP訊號;相較於USB 3.2規範時,透過DP Alt-mode,單通道要傳輸USB訊號,只剩下單通道能傳遞DP訊號,USB4的DP訊號傳輸頻寬,幾乎是兩倍於DP Alt-mode模式。也因此,在USB4的Dongle及Dock產品,特別適合用來支援新世代的8K影音傳輸,我們能看到Dock的DP影音轉換控制器也順勢進入了HDMI 2.1的新世代。
 
HDMI 2.1規範的新功能與挑戰
 
HDMI 2.1規範雖然在2017年即已問世,但遲遲未能取代上一代的HDMI 2.0,直到2020年底推出的Xbox Series X與PlayStation 5家用遊戲機開始支援HDMI 2.1,且支援HDMI 2.1的8K電視也陸續推出,至此才算是正式打開了HDMI 2.1市場的能見度。
 
HDMI 2.1相較於HDMI 2.0的好處,首先就是HDMI 2.1的傳輸頻寬變大了,最高可達48 Gbps,並採用效率比較高的編碼方式傳輸,相較於HDMI 2.0的18 Gbps,有效頻寬足足是其2.96倍,可支援更高的影像解析度。HDMI 2.1可支援高達8K@60 Hz或8K@120 Hz、甚至10K@120 Hz的影像傳輸,而HDMI 2.0只能達到4K@60 Hz,使用HDMI 2.1,可以提升使用者在遊戲或觀看的沉浸體驗。
 
HDMI 2.1規範新增全新的FRL (Fixed Rate Link) 實體層架構,每條通道最高速率來到12Gbps外,也使用全新的16b/18b編碼方式,相較於前一代TMDS架構的8b/10b編碼方式,進一步提升通道的有效頻寬。在HDMI 2.1 FRL模式下,由於傳輸速率的提升,面臨高速訊號在通道上更大的衰減;為了改善訊號衰減的問題,HDMI 2.1導入了更多樣化的Equalizer來對應。在DP影音轉換控制器裡,會使用到HDMI 2.1的Transmitter端,設計時會加入Feed Forward Equalizer (FFE),由最多四組不同大小的De-emphasis和Pre-shoot組成。在Link Training時會決定FFE補償,確保影音資料完整傳送至HDMI Sink端。
 
另外,VESA協會的DSC視訊串流壓縮技術 (Display Stream Compression),已被DisplayPort規範採用許久,HDMI 2.1規範也首次導入DSC進一步提升通道頻寬;透過壓縮技術,可以提高最高三倍的頻寬,藉此實現10K影像的傳送。而因應8K/10K的影像傳輸,DP影音轉換控制器裡DSC Decoder的Slice設計,也因而需增加至八個才能滿足需求。
 
在加強既有功能方面,HDMI 2.1支援動態效果更強的動態式高動態範圍(Dynamic HDR),多了動態元數據 (Dynamic Metadata),確保影像的每一刻、每一幕場景,甚至細至每一影格,都能呈現最理想的景深、細節、明亮度、反差和色域。而從HDMI 1.4就已支援的音訊回傳通道 (Audio Return Channel, ARC) 功能,到了 HDMI 2.1進化成增強版的eARC,傳輸頻寬高達36.8 Mbps,比起ARC高出了30倍有餘,可以將未經壓縮的5.1、7.1聲道,甚至32聲道的音訊,回傳到如擴大機、聲霸之類的喇叭設備,不僅降低接線複雜度,還能維持高品質的音質。高位元速率格式的DTS-HD、Dolby TrueHD,以及家庭劇院格式的Dolby Atoms、DTS:X等等規格,透過eARC都能支援。
 
而在全新功能方面,HDMI 2.1規範新增了VRR、ALLM、QFT、QMS這些新規格。VRR (Variable Refresh Rate,可變更新速率) 是一種電競遊戲功能,能為玩家帶來更流暢且細節更豐富的遊戲體驗。VRR會根據電腦的影像處理速度,自動調節更新率,讓更新率與影像來源同步,以確保從一幀畫面到另一幀畫面平滑過渡,並消除幀之間的視覺撕裂或抖動。ALLM (Auto Low Latency Mode,自動低延遲模式),此模式可自動調整延遲設定,減少畫面延遲,為遊戲玩家、VR或電影觀賞者提供更好的體驗。QFT (Quick Frame Transport,快速影格傳輸),此功能也是為了減少延遲,增加流暢度。雖然QFT不能消除輸入端的延遲,但能降低來源端和顯示器之間的傳輸延遲。最後是QMS (Quick Media Switching,快速媒體切換),此功能可讓播放 / 來源裝置即時切換其內容的解析度或影格速率,而不會有任何的顯示中斷或黑幕。例如遊戲機的輸出,會根據內容而不斷變化,但無論來源或內容為何,QMS皆能帶來超流暢感,消除在顯示影像之前可能導致的停頓或空白畫面延遲。
 
隨著新世代8K影音傳輸的需求開始萌芽,以及電腦平台正式進入USB4,USB-C Dock當中的DP影音轉換控制器也來到HDMI 2.1解決方案新紀元。影音訊號的來源如前文所述是DP的訊號源,而HDMI 2.1規範裡新增之功能,不是所有功能都能從DP介面順利轉換至HDMI介面,如何調適到最佳相容性,是為一大挑戰。另一個挑戰,是把影音轉換控制器的功耗儘量做到最低。因為在HDMI 2.1的使用場景,除了自己本身最高可達到48 Gbps外,搭配USB4雙通道也達到40Gbps,USB-C Dock電路板的整體工作功耗會大幅增加,因此設計時需避免因系統過熱而導致降頻的情況。低功耗設計與晶圓製程的挑選,已是新世代影音轉換控制器產品競爭力重要的一環。
 
 
 
說明:本篇文章同步刊載於城邦新電子雜誌 2022年四月號